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Tratamento ultrassónico de fundidos para além do alumínio: resultados industriais em ligas de zinco, magnésio, cobre e latão

A desgaseificação por cavitação ultrassónica proporciona uma eficiência 20% superior, uma redução de 6 vezes nas inclusões e um refinamento simultâneo dos grãos em zinco, magnésio, cobre e latão — com uma única plataforma que opera entre os 450 °C e os 1 150 °C+.

8 de agosto de 2026 · 12 min de leitura

c320939fce194377a626ea65951d11bd Tratamento por fusão ultrassónica para além do alumínio: resultados industriais em ligas de zinco, magnésio, cobre e latão
Tratamento por cavitação ultrassónica de metais fundidos, mostrando um sonotrodo cerâmico a vibrar no metal, com a formação de bolhas de cavitação

Resumo

O tratamento ultrassónico da massa fundida para metais não ferrosos revelou-se drasticamente superior à desgaseificação rotativa convencional em todos os metais não ferrosos — proporcionando uma eficiência de desgaseificação 20% superior, uma redução de 6 vezes nas inclusões de óxido e um refinamento simultâneo do grão. Cada metal apresenta desafios distintos: o zinco retém inclusões de chumbo e películas de óxido resistentes à flotação padrão; a inflamabilidade do magnésio exige um processamento mais rápido e a temperaturas mais baixas; o cobre e o latão absorvem oxigénio e hidrogénio ao longo de todo o processo de fusão; o bronze sofre de segregação de estanho, um problema que a desgaseificação por si só não consegue resolver. O sistema NIMA da Sialon Ceramics, com sonotrodos cerâmicos, desenvolvido em parceria com a Aktive Arc Ultrasonics, especialista em engenharia de sistemas ultrassónicos de alta potência, opera de forma única em todo o espectro de temperaturas — desde o tratamento do zinco a cerca de 450 °C até ao cobre e ao latão a 1 100 °C e além — com uma única plataforma. Não se trata apenas de remover o hidrogénio mais rapidamente; trata-se de operar onde o equipamento de desgaseificação rotativo se esgota, alcançando resultados que o sistema rotativo não consegue igualar e fazê-lo sem o custo ambiental do consumo de gás inerte.

Por que razão o tratamento por fusão ultrassónica de metais não ferrosos exige uma abordagem diferente

A desgaseificação do alumínio tornou-se o domínio consolidado da cavitação ultrassónica. No entanto, ao passar para as ligas de zinco, magnésio, cobre, latão e bronze, fica claro por que razão os métodos rotativos convencionais e a injeção de gás inerte nunca foram a solução adequada para estes metais. Os rotores de grafite queimam-se a temperaturas superiores a 1 000 °C. A injeção de gás inerte introduz contaminação em metais inflamáveis. Os sistemas de frequência fixa não conseguem resolver a segregação multifásica de óxidos. O que a Sialon Ceramics desenvolveu em parceria com a Aktive Arc Ultrasonics — o sistema NIMA com sonotrodos cerâmicos — não é uma ferramenta para alumínio adaptada a outros metais. Trata-se de uma plataforma unificada concebida para funcionar desde o zinco a 450 °C até ao cobre e ao latão a mais de 1 100 °C, com um único tipo de sonotrodo e uma única arquitetura de gerador. A diferença não é marginal: equipamento que resiste a 250-400 ciclos, em comparação com a grafite que falha após 2-3 ciclos em condições de alta temperatura.

Tratamento por ultrassons para a desgaseificação de ligas de zinco

A fundição de zinco conta-se entre os processos metalúrgicos mais complexos. A afinidade do metal pelo chumbo — absorvido dos revestimentos dos cadinhos, da carga de sucata e da contaminação por latão — cria inclusões de chumbo que flutuam mal e resistem à ruptura da película de óxido. Mesmo a desgaseificação rotativa agressiva deixa o chumbo e os seus óxidos retidos na massa fundida, depositando-se na peça fundida e causando segregação, fragilização e falhas mecânicas em aplicações que exigem estanqueidade à pressão.

Inclusões de chumbo e películas de óxido

Os óxidos de chumbo formam uma camada dupla persistente: uma película exterior de magnésia (MgO) liga-se ao óxido de chumbo (PbO), e todo o conjunto desenvolve então um revestimento hidrofóbico que impede a flotação. Os impulsores rotativos não conseguem romper mecanicamente esta película combinada. A injeção convencional de gás inerte não apresenta densidade de bolhas nem tempo de permanência suficientes para superar a barreira capilar. O material fundido tem de ser mantido à temperatura durante muito mais tempo do que o desejável — caso contrário, o chumbo permanece.

A cavitação ultrassónica resolve esta questão através da elevada taxa de geração de bolhas. A uma taxa de 1 × 10¹¹ bolhas de cavitação por metro cúbico, os jatos das bolhas em colapso geram pressões locais superiores a 1 000 bar — suficientes para romper a película de óxido de dupla camada e permitir que as partículas de óxido de chumbo escapem. O tempo de ciclo rápido (3 minutos contra mais de 10 no caso do método rotativo) também reduz a janela de tempo para a reabsorção de chumbo pelas paredes do cadinho.

Resultados industriais no setor do zinco

As fundições que tratam ligas de zinco para fundição sob pressão com sistemas ultrassónicos NIMA da Sialon Ceramics referem (segundo o estudo industrial CastMan de 2025 e a revisão por pares da Springer de 2026):

  • Eficiência na remoção de chumbo: redução de 85–92% nas inclusões de chumbo, em comparação com 35–50% no caso da desgaseificação rotativa durante tempos de permanência equivalentes
  • Reoxidação reduzida: O ciclo rápido limita a reentrada de oxigénio, o que é fundamental dada a elevada afinidade do zinco pelo oxigénio à temperatura de fundição
  • Bónus de refinamento do grão: a nucleação heterogénea induzida por cavitação refina a estrutura do grão do zinco, reduzindo a suscetibilidade à ruptura a quente em peças fundidas de parede fina
  • Melhorias nas propriedades mecânicas: o alongamento à tração aumenta entre 4 % e 6 %, o que é fundamental para componentes fundidos sob pressão estanques

Tratamento ultrassónico de ligas de magnésio: a inflamabilidade como fator determinante do processo

O magnésio opera numa janela térmica totalmente diferente. O seu ponto de liquidus situa-se nos 650 °C, a janela de liga abrange os 700–750 °C e, aos 1 200 °C, o metal inflama-se espontaneamente ao ar. Esta janela de processamento estreita e a altas temperaturas exclui de imediato muitas tecnologias de desgaseificação.

Os impulsores rotativos, a funcionar sob elevado cisalhamento, geram tanto calor por atrito que o magnésio derrete à volta do rotor e inflama-se. A borbulhação convencional com gás inerte, mesmo com árgon ou azoto de qualidade comercial, transporta humidade e oxigénio do sistema de gás de cobertura — introduzindo contaminantes mais rapidamente do que os impulsores rotativos conseguem removê-los. O resultado: as fundições muitas vezes ignoram completamente a desgaseificação, aceitando a porosidade por hidrogénio e os defeitos de segregação que daí advêm.

Camada de óxido e absorção de hidrogénio

Os hidretos de magnésio (MgH₂) são termodinamicamente instáveis à temperatura de fundição — decompõem-se em gás hidrogénio, que se dissolve na massa fundida. No entanto, a extrema afinidade do magnésio pelo oxigénio faz com que o hidrogénio fique retido no interior de uma película de magnésia (MgO) tão protetora que as técnicas de flotação convencionais não conseguem penetrá-la. Quando este hidrogénio é levado de volta para a fundição, transforma-se em porosidade; o óxido torna-se uma inclusão que dá origem a fissuras por fadiga.

Resultados industriais no setor do magnésio

O tratamento ultrassónico NIMA, que funciona com uma potência mais baixa do gerador e com sonotrodos cerâmicos que se mantêm frios durante a utilização, proporciona:

  • Safe processing: No friction-induced heating; sonotrode temperature remains <100°C above melt, eliminating ignition risk
  • Remoção de hidrogénio: eficiência de 18–22% (em comparação com 8–12% na injeção comercial de azoto), medida através de ensaios a pressão reduzida
  • Remoção de óxidos: redução de 4 vezes nas inclusões de magnésia; as bolhas de cavitação rompem mecanicamente as películas de óxido sem reoxidizar a massa fundida
  • Estrutura dos grãos: A nucleação induzida por cavitação produz grãos finos e equiaxiais, típicos dos tratamentos com refinador rotativo, mas sem a etapa de processamento separada
  • Velocidade de processamento: Uma única passagem de 3 minutos, sem necessidade de tratamento secundário

Tratamento por ultrassons de ligas de cobre e latão: o desafio da absorção de oxigénio e hidrogénio

O cobre e o latão atingem o estado fundido a temperaturas muito mais elevadas — 1 050 °C no caso do cobre puro e até 1 100 °C ou mais no caso do latão, dependendo do teor de zinco. A estas temperaturas, as taxas de absorção de oxigénio e hidrogénio pelo metal aceleram drasticamente.

O cobre puro apresenta elevada solubilidade em oxigénio (até 0,08 % em peso à temperatura de fundição). Quando a massa fundida arrefece, esse oxigénio dissolvido migra para os limites dos grãos e precipita sob a forma de Cu₂O (óxido cuproso), formando uma rede de inclusões frágeis com fraturas vermelhas que destroem a ductilidade e a condutividade elétrica. A absorção de hidrogénio segue o mesmo padrão: o hidrogénio dissolvido liberta-se sob a forma de bolhas durante a solidificação, criando porosidade e cavidades de contração.

Problemas de inclusão e segregação multifásicas

O latão complica ainda mais a situação: o zinco oxida-se preferencialmente (formando ZnO), que flutua mal porque os óxidos de zinco desenvolvem películas hidrofóbicas. Os óxidos de cobre, mais densos, depositam-se no fundo do cadinho e voltam a dissolver-se na massa fundida, a menos que sejam ativamente rejeitados. Isto cria uma camada de escória multifásica que o desgaseamento convencional — concebido para sistemas de metal único — não consegue separar de forma limpa.

O bronze (cobre-estanho) favorece a segregação do estanho: os óxidos de estanho formam uma fase distinta, com características de flotação diferentes das dos óxidos de cobre, e são resistentes à fragmentação mecânica causada pelos impulsores rotativos.

Por que razão a desgaseificação rotativa apresenta limitações a altas temperaturas

Os sistemas rotativos convencionais sofrem uma degradação catastrófica quando utilizados com cobre e latão:

  • Oxidação do rotor de grafite: A temperaturas superiores a 1 000 °C, as pás do rotor de grafite oxidam-se e desintegram-se no espaço de 2 a 3 ciclos de fundição
  • Ciclos térmicos: o arrefecimento rápido após a desgaseificação (prática padrão para evitar uma maior absorção de hidrogénio) provoca um choque térmico na grafite, levando a uma fratura frágil
  • Tempo de inatividade para manutenção: a substituição do rotor de grafite torna-se um ritual semanal ou duas vezes por semana, e não uma manutenção trimestral

Resultados industriais no setor do cobre e do latão

Os sonotrodos cerâmicos da NIMA, fabricados em cerâmica Sialon com um módulo de Young >300 GPa e resistência à oxidação até 1 600 °C, funcionam de forma fiável neste regime:

Tratamento ultrassónico do bronze: segregação do estanho e remoção de inclusões multifásicas

As ligas de bronze (cobre-estanho) enfrentam um desafio em várias camadas: o estanho oxida-se preferencialmente (SnO₂) antes do cobre (formando Cu₂O), criando uma camada de óxido de duas fases. Durante a fundição, os óxidos de estanho flutuam para cima, mas muitas vezes voltam a fundir-se na massa, enquanto os óxidos de cobre se depositam. Isto cria uma segregação grave: as inclusões ricas em estanho agrupam-se perto do fundo do molde, esgotando o estanho das secções exteriores da peça fundida.

A desgaseificação rotativa, fixada numa única frequência de mistura, não consegue tratar simultaneamente ambos os tipos de óxido — decompõe seletivamente a fase mais oxidada, deixando a outra intacta.

Fluxo acústico e cavitação multifrequência

O sonotrodo multifrequência da NIMA (frequência primária de 25 kHz com harmónicos secundários) gera padrões de fluxo acústico que atuam preferencialmente sobre as películas de óxido de estanho, fragmentando simultaneamente os aglomerados de óxido de cobre. O mecanismo combinado — colapso direto das bolhas de cavitação, juntamente com fluxos secundários induzidos pelo fluxo acústico — proporciona uma separação de fases mais completa do que a que os sistemas de frequência única conseguem alcançar.

Os resultados industriais revelam que:

Física da cavitação: como funciona o tratamento por ultrassons em todos os metais

O mecanismo fundamental é o colapso das bolhas de cavitação. Quando um sonotrodo cerâmico vibra a 25 kHz, cria uma onda de tensão que excede a resistência à tração do metal fundido no local de nucleação das bolhas. As bolhas formam-se, colapsam e geram fenómenos secundários que atuam simultaneamente sobre vários tipos de inclusões.

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Mecanismos de cavitação: o jato resultante do colapso das bolhas rompe as películas de óxido, o fluxo acústico transporta os contaminantes para a superfície do material fundido e a força de Bjerknes classifica as bolhas por tamanho

Três mecanismos complementares

1. Jatos resultantes do colapso direto de bolhas
Quando uma bolha colapsa de forma assimétrica (perto de uma superfície ou de outra bolha), forma-se um microjato — um jato direcionado de líquido que atinge velocidades >100 m/s e pressões locais >1 000 bar. Estes jatos rompem as películas de óxido protetoras em torno das inclusões, expondo-as à flotação.

2. Fluxo acústico
O campo de pressão acústica em estado estacionário gera fluxos de arrastamento — correntes circulares na massa fundida — que transportam continuamente películas de óxido e inclusões em direção à superfície da massa fundida. A velocidade do fluxo varia proporcionalmente ao quadrado da amplitude acústica, pelo que os sistemas de maior potência geram um transporte mais rápido e vigoroso dos contaminantes para o exterior.

3. Força de Bjerknes e coalescência de bolhas
As bolhas de cavitação estão sujeitas a uma força de Bjerknes secundária, proporcional ao tamanho da bolha e à pressão acústica. As bolhas mais pequenas migram para regiões de alta pressão; as bolhas maiores migram para zonas de baixa pressão. Esta separação espacial aumenta a eficiência da flotação — as bolhas maiores (de menor densidade) chegam à superfície mais rapidamente, transportando consigo os óxidos retidos.

Estes três mecanismos funcionam em paralelo, razão pela qual o tratamento ultrassónico remove simultaneamente todos os tipos de inclusões — óxido de chumbo, gás hidrogénio, óxidos à base de oxigénio e segregação de estanho — numa única passagem de 3 minutos. A desgaseificação rotativa limita-se apenas à mistura mecânica; não possui nenhum equivalente ao fluxo acústico nem à flotação impulsionada pela força de Bjerknes.

Por que razão o sistema NIMA da Sialon Ceramics funciona em toda a gama de temperaturas

O fator diferenciador fundamental é o material do sonotrodo. Os rotores de grafite funcionam na fundição sob pressão de alumínio (700–750 °C), mas falham catastróficamente no zinco ( os ciclos térmicos a 450 °C induzem fragilização) e no cobre (temperaturas superiores a 1 000 °C causam degradação oxidativa). As ligas de titânio e nióbio resistem aos extremos térmicos, mas apresentam um amortecimento acústico insuficiente — absorvem demasiada energia de vibração sob a forma de calor, limitando a eficiência ultrassónica.

As cerâmicas de sialon — o oxinitreto de silício e alumínio (Si₃Al₃O₃N₅) — ocupam uma posição única:

  • Módulo de Young: >300 GPa, o que permite uma transferência eficiente de energia a frequências ultrassónicas (em comparação com os ~12 GPa da grafite, que amortece significativamente a vibração)
  • Condutividade térmica: ~13 W/(m·K), o que permite um arrefecimento rápido da superfície do sonotrodo após cada ciclo de tratamento — um aspeto fundamental para fundições que processam lotes consecutivos
  • Resistência à oxidação: Estável até 1 600 °C ao ar; sem degradação, mesmo sob choques térmicos repetidos, desde a fusão a 1 150 °C até ao arrefecimento rápido até à temperatura ambiente
  • Não molhabilidade: Os metais fundidos não aderem à superfície do sialon, impedindo o «congelamento» da massa fundida no sonotrodo — um modo de falha catastrófico para os sistemas à base de grafite
  • Resistência mecânica: Ao contrário da grafite frágil, o sialon consegue resistir ao impacto de inclusões cerâmicas ressuspensas na massa fundida sem se fraturar

Janela de funcionamento

Os sonotrodos cerâmicos da NIMA permitem:

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Intervalos de temperatura de funcionamento para o tratamento por ultrassons em quatro metais não ferrosos: zinco a 450 °C, magnésio a 700–750 °C, latão a 1 100–1 150 °C e cobre a 1 050–1 150 °C. Acima dos 1 000 °C, apenas o NIMA funciona de forma fiável, enquanto os sistemas com rotor rotativo de grafite falham.
  • Tratamento do zinco a 450 °C: Funcionamento bem abaixo do limiar de fragilização da grafite; os ciclos térmicos não degradam o sonotrodo
  • Magnesium at 700–750°C: Lower sonotrode temperature (<100°C above melt) due to superior thermal conductivity eliminates friction-heating hazards
  • Alumínio a 700–750 °C: desempenho de referência, idêntico ao da grafite, mas com uma vida útil 100 vezes superior
  • Latão a 1 100–1 150 °C: Funciona em condições em que a grafite falha completamente; os sonotrodos cerâmicos mantêm-se mecanicamente intactos após >400 ciclos
  • Cobre a 1 050–1 150 °C: o único material de sonotrodo capaz de atingir este regime; permite um tratamento que a desgaseificação rotativa não consegue proporcionar

Validação industrial e resultados

As vantagens do tratamento ultrassónico da massa fundida não são meramente teóricas. Estudos publicados e revistos por pares (Springer International Journal of Metalcasting, 2026; Universidade de Brunel; relatórios industriais da CastMan, 2025) documentam estes resultados em vários sistemas metálicos:

MétricoDesgaseificação por ultrassonsDesgaseificação rotativaMelhoria
Duração do tratamento3 minMais de 10 min3,3 vezes mais rápido
Eficiência de desgaseificação20% acima do rotativoValor de referência+20%
Redução das inclusões de óxido6 vezes mais vs. sem tratamento3 vezes mais vs. sem tratamento2 vezes mais eficaz
Aumento da resistência ao escoamento+210 MPa+180 MPa+30 MPa (+1,7 %)
Resistência máxima à tração+303 MPa+288 MPa+15 MPa (+0,5 %)
Melhoria do alongamento+6%+3%Aumento da ductilidade de 2×
Geração Dross245 g/ciclo1 300 g/ciclo81% inferior
Consumo de gás inerte0EssencialRedução de 100%
Vida útil do sonotrodo250–400 ciclos2–3 ciclos (grafite)100–200 vezes mais durável (cerâmica)

Uma plataforma única para o tratamento de metal fundido não ferroso

O tratamento por fusão ultrassónica de metais não ferrosos não requer um conjunto de ferramentas especializadas. A Sialon Ceramics concebeu o NIMA como um sistema ultrassónico único com sonotrodos cerâmicos intercambiáveis, capaz de ser utilizado para:

  • Operações de fundição que processam várias ligas – Um gerador, uma unidade de controlo; a troca do sonotrodo entre lotes de zinco (450 °C), magnésio (700 °C) e latão (1 100 °C) sem necessidade de reconfiguração do equipamento nem de ciclos de arrefecimento
  • Oficinas de fundição em que os lotes são fundamentais – O tempo de execução diminui 67% (de mais de 10 minutos para 3 minutos por lote), permitindo um aumento de 3 a 4 vezes na produtividade com a capacidade de fusão existente
  • Produtores orientados para a qualidade – A desgaseificação simultânea + o refinamento dos grãos eliminam a necessidade de utilizar produtos químicos inoculantes específicos para o refinamento dos grãos, reduzindo a complexidade e os custos do processo
  • Ligas especiais para altas temperaturas – Os produtores de cobre, latão e bronze passam a ter acesso a uma tecnologia de desgaseificação que não existia no domínio rotativo – literalmente a única opção de desgaseificação a temperaturas de funcionamento superiores a 1 000 °C

Experimente o Sistema NIMA da Sialon Ceramics

Se a sua fundição está a lidar com porosidade por hidrogénio, inclusões de chumbo ou segregação de óxidos em ligas de zinco, magnésio, cobre ou latão — e, especialmente, se estiver a utilizar sistemas de desgaseificação rotativos que têm dificuldade em resistir à temperatura de fundição —, o sistema NIMA representa uma melhoria significativa: mais rápido, mais limpo, mais duradouro e capaz de funcionar onde os equipamentos de desgaseificação convencionais simplesmente se queimam.

A plataforma de tratamento ultrassónico de fundidos da Sialon Ceramics substitui totalmente o equipamento de desgaseificação rotativo, proporciona uma eficiência de desgaseificação 20% superior, acompanhada de um refinamento simultâneo do grão, e funciona de forma fiável a temperaturas que vão dos 450 °C (zinco) aos 1 100 °C+ (cobre/latão). Saiba como outras fundições de metais não ferrosos reduziram o tempo de ciclo em dois terços, diminuíram as inclusões de óxido em seis vezes e eliminaram o consumo de gás inerte.


Perguntas frequentes

A desgaseificação por ultrassons pode substituir o nosso sistema rotativo atual em aplicações a altas temperaturas?

Sim, especialmente acima dos 950 °C, onde os rotores de grafite começam a oxidar. Os sonotrodos de cerâmica de sialon funcionam de forma fiável até 1 150 °C ou mais, sem qualquer degradação, tornando a tecnologia ultrassónica a única opção de desgaseificação para fundições de cobre e latão à temperatura máxima. Para metais de temperatura mais baixa (zinco, magnésio), a tecnologia ultrassónica oferece tempos de tratamento 3,3 vezes mais rápidos e uma remoção superior de inclusões — uma melhoria mensurável, mesmo que o processo rotativo não esteja a falhar.

Quanto gás inerte poupamos, na realidade, com o tratamento ultrassónico?

A desgaseificação por ultrassons não requer qualquer gás inerte (árgon ou azoto). Uma fundição típica que utilize sistemas rotativos consome entre 50 e 200 m³ de árgon por dia, dependendo do volume de peças fundidas. A mudança para o NIMA elimina totalmente este custo — o que representa, normalmente, uma poupança de 8 000 a 15 000 dólares por mês em materiais, além de eliminar a necessidade de infraestruturas de manuseamento e armazenamento de cilindros pressurizados.

O tratamento por ultrassons é eficaz no bronze ou noutras ligas que contenham estanho?

Sim, e o bronze é um dos casos de aplicação mais exigentes. A segregação do estanho no bronze — em que os óxidos de estanho se agrupam afastando-se dos óxidos de cobre — é extremamente difícil de resolver com sistemas rotativos de frequência única. A cavitação multifrequência da NIMA atua seletivamente sobre ambos os tipos de óxidos, alcançando uma redução de 70 a 78 % na segregação do estanho, ao passo que os sistemas rotativos são incapazes de a impedir totalmente.

Qual é a vida útil de um sonotrodo de cerâmica?

Os sonotrodos de cerâmica de sialon têm, normalmente, uma duração de 250 a 400 ciclos de fundição antes de precisarem de ser substituídos — o que corresponde a cerca de 2 a 4 meses de funcionamento contínuo da fundição, no caso de uma oficina com grande volume de trabalho. Esta duração é 100 a 200 vezes superior à dos rotores de grafite em condições de funcionamento a altas temperaturas, o que torna os sonotrodos de cerâmica economicamente vantajosos, apesar do custo unitário mais elevado devido à frequência de substituição.

Como posso saber se a desgaseificação por ultrassons está a funcionar?

Os sistemas NIMA incluem monitorização em tempo real: feedback da potência acústica, visualização da temperatura do metal fundido e registo do número de ciclos. Para garantia de qualidade, os ensaios de pressão reduzida (padrão na fundição aeroespacial e automóvel) medem diretamente a redução de hidrogénio — normalmente uma melhoria de 18 a 24 % em relação ao método rotativo, no mesmo tempo de tratamento. Os ensaios mecânicos (resistência à tração, alongamento) e a inspeção metalográfica (densidade de inclusões, estrutura granular) confirmam os benefícios ao longo de 2 a 3 ciclos de fundição.